国际CDIO工程教育模式在中国的实践研究

教与学的方法必须与人才培养目标、课程体系一致，要采用一体化的学习；主动学习和经验学习能够达到预期的学习产出，提高学生的学习兴趣，更好地培养学生的创造精神和实践能力。

学生的反馈是教学方式改变的重要依据。瑞典皇家工学院、查尔摩斯工业大学和林雪平大学通过与学生代表的面谈，得到学生对改善教学方法的意见如下^[6]：

①设置明确的、与工程实践相关的学习目标；②开发教学活动和考核项目，帮助学生达到预期学习目标；③关注基本概念的深层应用，并指出其与工程实践的联系；④在课程内容中分清优先次序；⑤课程初期就设定考核任务；⑥课程中进行定期考核；⑦明确考核标准；⑧设计既包含师生互动，又包含同学间互动的学习活动；⑨在课程中制定切合实际的时间表，让学生定期反馈实际学习时间，调整平行课程间的工作期限和工作量；⑩提高对课程及相关学习任务的热情。

显然，学生的意见集中于对预期学习目标的理解、理论知识与实践间的联系、对学习内容和重要性的认识以及学习活动时间安排等影响学生学习积极性、主动性和学习深度的因素。其间还隐含了一个在国外大学很普遍而在我国可能还没有成为一个问题的问题：每门课的老师都布置了相当重的课外作业/项目/课题要求，并且这些要求相应的报告或结果是有非常严格的时间要求的。如果各门课程的要求没有协调好，学生可能面临在某段时间内同时要交好几个报告的困境。

教学方法与安排的改善应该征求学生的意见作为一条教学原则并有相应的保障措施。这样可以保证教学改革是切合实际而且是切中时弊的，最大限度保证改革的有效性。瑞典的这个调查还有另外的两个问题值得我们关注：其一是我们需要对学生时间管理和项目报告严格要求并切实执行。这是培养学生认真负责的职业操守的一个重要环节。其二是要注意做好课程间的协调，避免各门课程各自要求，学生疲于奔命。

（一）一体化学习

专业教育的课程设计和教、学、考的设计与实施都能支持学生的知识、能力和素质一体化成长，是CDIO工程教育模式的一大特色和基本要求。贯彻CDIO理念所采用的教学方法必须能够支持学生一体化成长的要求。因此，CDIO标准7要求给予学生一体化学习经验，支持学生学科知识和工程能力的获取。

心理学的研究也表明一体化的教学环境有助于触发深层学习，即“教学、任务和评价能协调作用以支持学生的学习和理解”，同时，“协调的重要性体现在，任何一个方面与其他因素之间产生目标或效果上的不一致与干扰，都会最终损害学习”。比格斯提出了一种“建构式校准”的教学设计理念，即“教学的环境应当是一种平衡的生态系统环境，当在课程的目标、教学的方法和评价的方式之间存在着一种校准与一致的关系时，教学就更有可能是有效的，学生的学习更有可能是高质量的”。恩特威斯特尔通过对一个“电子工程专业的教学环境”案例的深度分析，进一步构建了一个包括目标理解、实验室、评价、反馈、指导、任务、讲授七个要素在内的互嵌整合的教学环境。他对环境中的各要素互动方式进行了深度分析，最终指出：“学生与教师所控制的这个‘内环境’始终进行着交互，这种交互对学生的学习方法和质量产生着最大的影响。”^[7]

一体化学习有两个主要的途径，一是在学科知识的学习环节（主要是课程学习）加入CDIO能力目标的培养；二是在综合应用环节（工程项目、实习、实践等）加入学科知识要求。这两条途径并非全新的创造。“隐性课程”是教育学中早就存在的一个概念。一体化学习的要求是将一部分隐性课程的内容显性化，以提高课程的目标性和效率。对于途径一，传统的学科教学对于工程能力的兼顾是比较少的，或者说这一途径不仅是将已有的隐性课程目标显性化，而且需要探索增加新的课程目标。对于途径二，传统的培养环节的主要问题是没有明确的目标和缺少对目标实现的评估。例如，在实习环节，学生到底需要学到什么？学生是否达到预期学习目标？如何改进？CDIO教学大纲使得这些隐性课程目标较容易转化为显性目标，从而提高培养效率。

查尔摩斯工业大学将交流能力的培养植入到一年级的导论课程、二年级的项目课程和三年级的论文要求中。在导论课程中，教师需要教授学生技术性报告的撰写并对学生进行口头演讲、多媒体交流和电子交流方法提出具体的要求。在课程的进行中，学生需要学习、练习并展示他们的批判性思维能力、口头表达与演示能力、图表和草图交流能力、讨论交流能力和写作交流能力。教师需要按照课程教学大纲的要求对学生的表现进行反馈与评估。这样的过程在第二年、第三年反复得到重复并深化（螺旋上升），到第三年的论文撰写阶段学生就应该能够展现出专业的科学思维与批判能力，信息的查询与处理能力，假设、分析、论证、论文写作、展板制作等各种交流能力。^[8]

（二）主动学习

主动学习要充分调动学生的积极性，深入参与思考和解决问题的活动，会促进深层学习。马顿和萨基（Marton ＆Saljo）首先提出了深层学习和表层学习方法的概念：深层学习方法以理解学习材料为目标，以学习兴趣为动力，以证据的使用和观点的联系为主要策略；表层学习方法则是以再现学习内容为目标，以避免学习失败为主要动力，以各种形式的机械学习为手段。通过主动学习推动学习从简单的记忆层面向理解、应用、创新层面逐步推进。主动学习的方法很多，下面举几列加以说明。

1.概念转变

概念转变（conceptual change）指个体原有的某种知识经验由于受到与此不一致的新经验的影响而发生的重大改变。对于概念转变的研究主要开始于20世纪70年代，80年代之后大量的研究开始涌现。1982年，Posner等提出了著名的概念转变模型（conceptual change model，简称CCM），对概念转变的条件、个体的知识经验背景对概念转变的影响提出了自己的解释。他们认为，一个人原来的概念要发生顺应需要满足四个条件：①对现有概念的不满。②新概念的可理解性（intelligibility）。③新概念的合理性（plausibility）。④新概念的有效性（fruitfulness）。Posner等人认为，个体对新概念的接受会受到其现有的其他概念的影响，他们把影响概念转变的个体的经验背景称为“概念生态圈”（conceptual ecology），它包括：反例、类比与比喻、认识论信念、形而上学的信念与观念、其他领域的知识、与新概念相对立的概念。

哈佛大学Eric　Mazur教授所开发的“同伴教学”（peer instruction）方法使用了一种收集学生课堂反馈的概念问题的方式。^[9]由于其形式简单，概念的问题仅需要几分钟的时间去思考和回答。每次的概念问题集中在单一概念上，并且有多个似是而非的答案，从学生的选择中可以及时发现学生对概念理解的共性问题，并可以通过学生之间的讨论得到及时解决。这种方法要求教师在上课前准备好问题，然后在上课过程中提出来，将问题和答案选项一并列出，学生用几分钟的时间去回答。学生可以通过举手、彩色选项卡或电子反馈系统给出他们的答案。

这个由Eric　Mazur开发的方法已经在广泛的教学实践中证明是有效的。教师们发现，采用概念问题的方法可以使他们获得关于学生理解方面的信息，并帮助教师及时调整讲课来纠正学生的误解。学生喜欢这一方法是因为他们的问题得到了及时反馈，这一反馈能够帮助他们规划自己的学习时间。Mazur教授的课程都是一两百名学生的大班课程，问题提出后学生回答一次，然后留出时间让学生自己讨论，再采集学生的答案。事实证明，全班学生很快在周围同学的帮助下有了自己的理解，实现了同伴教学，活跃了课堂，同时还保证全班学生都对这些概念有了及时的理解。

2.认知学徒制

认知学徒制（cognitive apprenticeship），是指将传统学徒制方法中的核心技术与学校教育结合，以培养学生的认知技能，即专家实践所需的思维、问题求解和处理复杂任务的能力。强调经验活动在学习中的重要性，并突出学习内在固有的、依存于背景的、情境的和文化适应的本质。主张通过在真正的现场活动中获取、发展和使用认知工具，来进行特定领域的学习，强调要把学习者和实践世界联系起来。

认知学徒制从改造学校教育中的主要问题出发，与学徒制方法进行整合，并将计算机技术融入到学徒制的核心观念和技术中。其核心假设是：通过这种教学模式，能够培养学习者的高阶思维能力（Higher-Order　Thinking　Skills，HOTS），即专家实践所需的思维能力、问题求解和处理复杂任务的能力。

3.自选讲题

自选讲题是适合大多数工科基础课程的一种主动学习方法。瑞典皇家工学院采用这种方法来做讲题课和大班的习题课。每次讲题课前给学生布置很多问题，要求每个学生选择自己上台讲解的问题并做好准备。讲题课时，学生在他们准备讲的问题上打钩。教师随机选择一名选了第一题的学生上台讲第一题，然后再选学生讲第二题，依此类推。准备了不少于75%的问题的学生能在期末课程总评中得到一定的奖励分，以奖励学生课外的努力。注意，这75%只是一个学生所勾选的题目数，并不是他实际所讲的题目数。因此，学生必须证明他们真正努力准备了他所勾选的这些题目，他在台上所讲的题目应能够引导课堂讨论并获得满意的解答。如果这个学生不能达到这个目标，他在本次讲题课中所有勾选的题目数都要去掉。在瑞典皇家工学院，学生对这种方法反应热烈，经常在课程的评价中强调说这个方法有助于他们的学习。

对每次讲题所提出的问题进行准备的过程，能促使学生把时间放在明确的任务上；并且对于同一个问题，同时有很多学生作了准备，所以，学生在台上讲题时，台下会很踊跃。自选讲题产生了适当的学习活动。学生不仅需要考虑如何结题，同时也需要准备作课堂讲解，这就可以鼓励学生思考如何去解释他们的方法和思路。因为其他学生已经准备了相同问题，即使台上同学表达得不太好，台下的同学也能紧跟问题解决的思路。这种主动学习方法为所有学生及时提供反馈信息，通常能够很好地讨论出不同的解决方案。自选讲题加强了学生的学习动机，更重要的是让学生感受到了安全友好的情感氛围。

4.支架式教学(www.chuimin.cn)

支架式教学应当为学习者建构对知识的理解提供一种概念框架（conceptual framework）。这种框架中的概念是为发展学习者对问题的进一步理解所需要的，为此，事先要把复杂的学习任务加以分解，以便把学习者的理解逐步引向深入。支架原本指建筑行业中使用的脚手架，在这里用来形象地描述一种教学方式：儿童被看作是一座建筑，儿童的“学”是在不断地、积极地建构着自身的过程；而教师的“教”则是一个必要的脚手架，支持儿童不断地建构自己，不断建造新的能力。支架式教学是以前苏联著名心理学家维果斯基的“最近发展区”理论为依据的。维果斯基认为，在测定儿童智力发展时，应至少确定儿童的两种发展水平：一是儿童现有的发展水平，一种是潜在的发展水平，这两种水平之间的区域称为“最近发展区”。教学应从儿童潜在的发展水平开始，不断创造新的“最近发展区”。支架教学中的“支架”应根据学生的“最近发展区”来建立，通过支架作用不停地将学生的智力从一个水平引导到另一个更高的水平。

支架式教学由以下几个环节组成：①搭脚手架；②进入情境；③独立探索；④协作学习；⑤效果评价。

5.随机进入教学

由于事物的复杂性和问题的多面性，要做到对事物内在性质和事物之间相互联系的全面了解和掌握，即真正达到对所学知识的全面而深刻的意义建构是很困难的，往往从不同的角度考虑可以得出不同的理解。为克服这方面的弊病，在教学中要注意对同一教学内容应在不同的时间、不同的情境下，为不同的教学目的，用不同的方式加以呈现。

随机进入教学主要包括以下几个环节：①呈现基本情境；②随机进入学习；③思维发展训练；④小组协作学习；⑤学习效果评价。

6.适时教学

适时教学（Just-in-Time Teaching）产生于20世纪末的美国，由美国航空学院名誉物理学教授、著名访问学者Novak和他的同事经过8年的实践，为了解决在长期的教学过程中所遇到的各种教学问题总结出的一种教学法。可以说，适时教学是20世纪末在欧美国家高校本科教学改革中出现的一种新的教学方式，^[10]是充分利用网络引导学生自主学习与课内启发式教学和及时反馈相结合的例子。适时教学就教学本身而言并不复杂，其运作程序很简便，容易被教师理解和接受，可行性和可操作性非常强，教学效果很好，因此美国国家科学基金会将它作为本科教学改革项目“创新之路”（Cycle of Innovation）的范例并大力支持和推广。

（三）经验学习

经验学习让学生能够在模拟工程师角色和工程实践的环境中进行的教学活动。库伯提出了经验学习环（图5-1）。

图5-1　经验学习模式^[11]

经验学习的方法包括基于项目的学习、仿真、案例分析和设计—实现经验等。

1.基于项目的学习

基于项目的学习（Project-Based Learning，PBL）是建立在真实或现实世界及具体条件或问题的基础上的，学生需要通过项目的展开找到解决问题的方法。对于工程项目，往往意味着学生需要进行设计与建造。因此，基于项目的学习是在CDIO教学改革中广泛采用的综合学科知识和工程能力培养的一种方法或手段。在名称和内涵上，基于项目的学习和基于问题的学习（Problem-Based Learning）很接近，甚至都被简记为PBL。一般来讲，基于项目的学习更注重项目的结果或产品，而基于问题的学习则更注重问题的解决过程。因此，基于项目的学习更接近工程实践，所以CDIO教学采用基于项目的学习更加普遍一些（基于问题的学习发源于医学教学）。有人将探究式教学、基于问题的教学、基于项目的教学、基于案例的教学、发现式教学、即时教学等统称为归纳式教学。^[12]因此，可能没有必要在名称和定义上过于纠缠。然而，从教学实践上来看，一个学校应该对本校所采用的方法有一个相对比较一致的模式。这样不仅能够节约模式开发的时间，而且学生比较容易用同样的模式学习不同的课程，有助于凝练学校特色。

丹麦奥尔堡大学自1974年成立就开始采用基于项目的学习方法，50%的课程都采用此法。此外，比利时鲁汶大学、丹麦罗斯基尔德大学、德国不来梅大学、柏林技术大学、多特蒙德大学、奥尔登伯格大学、荷兰代尔伏特大学、瓦格宁根大学、澳大利亚莫纳什大学、中央昆士兰大学、美国奥林学院、瑞典林雪平大学等在许多工程专业中都采用了基于项目的学习，并且取得了良好的效果。

基于项目的学习让学生面对真实的问题，应用他们已有的知识和能力探寻新的知识，发展新的能力，增强了学生的积极性和主观能动性，提高了学生应用知识和处理真实世界问题的能力。然而，对项目的设计和项目运行过程的掌控、资源与场地环境的要求等均需要较长时间的探索、积累与总结。因此，基于项目的学习最好能以一个学校团队的方式进行开发、打造特色，最大限度地发挥这个教学方法的作用。

2.案例教学

在教学中使用案例可以追溯到1870年的哈佛法学院，第一次世界大战以后这种方法被哈佛商学院采用，现已广泛用于各大学法学院、医学院、公共管理院及工商管理学院的教学。教学中可以以不同的方式采用案例，“教学案例”的模式在交代了案例发生的背景之后，案例主角所作的决策是不告诉学生的，以便学生自行分析决策。教学案例的模式为：①回顾案例内容；②梳理问题所在；③收集相关信息；④提出多种可能做法；⑤评价各种做法；⑥选定行动路线；⑦评价解决方案。^[13]

对于工程教育，案例教学对于管理性、决策性的课程或知识可能比较合适，如“工程职业道德”、“项目评估”等。

3.抛锚式教学

抛锚式教学（Anchored Instruction）要求建立在有感染力的真实事件或真实问题的基础上。确定这类真实事件或问题被形象地比喻为“抛锚”，因为一旦这类事件或问题被确定了，整个教学内容和教学进程也就被确定了（就像轮船被锚固定一样）。建构主义认为，学习者要想完成对所学知识的意义建构，即达到对该知识所反映事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间联系的深刻理解，最好的办法是让学习者到现实世界的真实环境中去感受、去体验（即通过获取直接经验来学习），而不是仅仅聆听别人（如教师）关于这种经验的介绍和讲解。由于抛锚式教学要以真实事例或问题为基础（作为“锚”），所以有时也被称为“实例式教学”或“基于问题的教学”或“情境性教学”。

抛锚式教学的组成几个环节：①创设情境；②确定问题；③自主学习；④协作学习；⑤效果评价。